第一章 緒論
早在數千年前，人類就使用磁鐵來指引方向，開啟了我們對磁性材料的應用 及對於磁學(Magnetism)的研究；而在十九世紀，磁性材料應用在馬達及發電機 進而開創了工業革命，也讓人類文明發展邁進一大步，時至今日，舉凡生活中與 我們息息相關的日常用品如：金融卡、錄影帶、硬碟等，都離不開對磁性的應用，
也讓我們致力於開發各類磁性元件，以期造福人類。
近年來由於半導體工業及奈米技術的成熟，不但有利於磁性元件的製程，也 讓我們對於新穎磁學有更進一步的認識，而結合磁學及微電子學而成的磁電子學 (Magnetronics) 或 自 旋 電 子 學 (Spintronics) 便 是 一 熱 門 的 領 域 ， 而 磁 電 阻 (Magnetoresistance)的發展及材料則是其中的基礎課題。大約 100 年前法拉第就 已發現磁場會影響電子的運動，而磁電阻現象簡言之就是導體電阻隨外加磁場改 變而產生變化的現象，而磁阻值(MR Ratio)則是不同磁場下樣品電阻的變化率，
可以下式表示：
MR =𝑅(𝐻
1
) − 𝑅(𝐻2
)𝑅(𝐻
1
) × 100%其中 R 為樣品電阻，H
1
與 H2
為各磁阻系統中的外加磁場。對非磁性材料而言，由於勞倫茲力(Lorentz force)對傳導電子的作用，使傳導電子的路徑改變而改變電 阻的現象稱為常磁電阻(Ordinary magnetoresistance)，電阻隨外加磁場增加而增大，
是為正磁阻；對磁性金屬而言，因傳導電子與磁性材料中狀態不同之束縛電子碰 撞而有不同能量損失，造成電阻的不同，電阻與電流與磁場方向有關，此為 Lord Kelvin 在 1857 年所發現，稱為異向性磁阻(Anisotropy Magnetoresistance)[1]；隨 著鍍膜技術的發展，各類磁阻材料日益地發展出來，1988 年 Baibich 等人在低溫 下發現在 Fe/Cr 多層膜之磁阻值可達 50%[2]，遠大於早期發現的 AMR 效應，故 稱為巨磁阻(Giant Magnetoresistance)；而後 1990 年代在某些錳氧礦物如：
La-Ca-Mn-O、La-Sr-Mn-O 中發現由金屬轉變為絕緣體的相變溫度在零磁場和高 磁場下不同，所以在低溫高場下電阻變化可高達 10
4
倍，此現象稱為龐磁阻效應2
(colossal Magnetoresistance)；在磁性/非磁性系統之多層膜中，假若非磁性材料為 絕緣體且厚度相當薄時，磁性材料中的自旋電子決定了傳導電子的穿隧機率所造 成的磁阻效應稱為穿隧磁阻(Tunneling Magnetoresistance)，1975 年首先由 Julliere 製作出第一個磁穿隧結[3]，但由於技術尚未成熟，所製作出的元件並無引起太 多目光，直至 1995 年 Moodera 等人製作出在室溫下磁阻值可達 20%之元件[4]，
穿隧磁阻效應才漸漸受到重視；而時至今日，因各項技術的日趨成熟，使各類型 磁阻材料擁有更佳的效益，使得利用磁阻材料開發的元件有更寬廣的空間，下表 列出各類磁阻材料比較表。
表 1-1. 各類磁阻材料比較表
本實驗主要在探討的現象為異向性磁阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)，
在量測鐵磁性導體塊材(bulk)的磁阻時，我們可以在磁場與電流平行和垂直的兩 個方向上看到異向性磁阻(AMR)的現象，其中電流與磁場平行的電阻(ρ
‖
)會大 於電流與磁場垂直的電阻(ρ⊥
)，而在磁場與電流垂直的平面上旋轉時所量測的 磁阻為定值。當所量測鐵磁性導體塊材改為薄膜材料(thin film)時，我們一樣可以在磁場 與電流平行和垂直的兩個方向上看到異向性磁阻(AMR)的現象，其中電流與磁場 平行的電阻(ρ
L
)一樣會大於電流與磁場垂直的電阻(ρT
, ρP
)；但是在磁場與電系統 磁阻值 溫度 外加磁場 應用材料
OMR ＜0.1% 室溫 1T 非磁性金屬
AMR ～3% 室溫 Few tens Oe 磁性金屬
GMR ＞5% 室溫 Few tens Oe 磁性、非磁性金屬交替 CMR ～10
6
% ～100K Several T 含錳氧化物TMR ＞40% 室溫 Few tens Oe
磁性金屬、絕緣層、磁 性金屬
3
流垂直的平面上旋轉所量測的磁阻中，磁阻不再為一定值，其中磁場平行膜面的 電 阻 ( ρ
T
) 會 大 於 磁 場 垂 直 膜 面 的 電 阻 ( ρP
) ， 此 現 象 稱 為 幾 何 尺 寸 效 應 (geometrical size effect, GSE)[5]。2011 年 Oepen 團隊在 Pt/Co/Pt 的三明治薄膜結構發現，此結構在磁場與電 流垂直的平面上旋轉所量測的磁阻中，會看到磁場平行膜面的電阻(ρ
T
)小於磁場 垂直膜面的電阻(ρP
)的現象，此現象與單層鐵磁性薄膜的幾何尺寸效應(GSE)趨 勢相反，他們改變了 Pt/Co/Pt 三明治薄膜結構中 Co 的厚度(tCo
)，發現當 Co 的厚 度小於 7 nm 時，此現象的磁阻大小變化的百分比(𝛥𝜌 𝑜𝑝
𝜌
)會隨著 tCo
變厚而增加，而且與異向性磁阻(AMR)的磁阻變化的百分比(
𝛥𝜌 𝑖𝑝
𝜌
)變化趨勢接近，然而當 Co 的 厚度大於 7 nm 時，𝛥𝜌 𝑜𝑝
𝜌
會以正比於1
𝑑 𝐶𝑜
的趨勢遞減，他們認為這表示此特殊的磁 阻現象與 Co 層的內部無關，所以代表這個現象是由 Co/Pt 的界面所造成的，並 將 此 現 象 命 名 為 異 向 性 界 面 磁 阻 (anisotropic interface magnetoresistance, AIMR)[6]。2012 年，美國 Johns Hopkins 大學錢嘉陵(C. L. Chien)教授的團隊在成長於 釔鐵石榴石(YIG)的 Pt 薄膜上做磁阻的量測，並且在磁場平行電流和磁場垂直電 流且平行膜面這兩個方向上量測到磁阻的現象，觀察到 Pt 的磁阻變化百分比隨 著 Pt 的膜厚變薄而增加，與一般鐵磁性材料的 AMR 趨勢相反。但是 Pt 為非磁 性材料，而 YIG 為鐵磁絕緣體，照理說在 Pt 上做量測不應該看到磁阻的現象，
於是他們提出因為 Pt 十分接近鐵磁性發生的 Stoner 準則，所以會被磁性層 YIG 誘發出磁性，並將此效應稱為磁性材料對非磁性金屬的磁邊際效應(magnetic proximity effect)[7]。後來此團隊又於 2013 年以 x 光磁圓偏振二向性(XMCD)的 方法，在成長於 YIG 上 1.5 nm 的 Pt 薄膜量測到 300 K 下平均每個 Pt 原子的磁 矩為 0.054 μ
B
；在 20 K 的時候為 0.076 μB
，證明 Pt 在 YIG 上確實會藉由磁邊際 效應(magnetic proximity effect)誘發出磁性[8]。Pt 同時擁有很強的自旋軌道交互4
作用(spin-orbit interaction)，因此常在新興的自旋電子學中被用來當作純自旋流偵 測材料。磁邊際效應在純自旋流偵測之中扮演的角色需要仔細檢查。
日本的 E. Saitoh 團隊於 2013 年以自旋霍爾磁阻(spin Hall magnetoresistance) 的理論解釋了成長於釔鐵石榴石(YIG)的 Pt 薄膜在各個角度旋轉所量測的磁阻現 象[9]，當磁場加於平行膜面且垂直電流的方向時，Pt 層中傳輸電流因自旋霍爾 效應(spin Hall effect, SHE)產生的自旋流(spin current)大部分會受到磁性層(YIG) 的反射，因為電子自旋方向與磁矩平行，而這反射的自旋流又會因反轉自旋霍爾 效應(inverse spin Hall effect, ISHE)在傳輸電流的方向產生感應電流，造成電流上 升，電阻下降；當磁場加於平行電流或垂直膜面這兩個方向時，Pt 層中傳輸電流 因自旋霍爾效應(spin Hall effect, SHE)產生的自旋流(spin current)只有部分會被 磁性層(YIG)反射，大部分會被吸收，因為電子自旋方向與磁矩垂直，測得的電 阻相對較高。用自旋霍爾磁阻(spin Hall magnetoresistance)的理論可以解釋異向性 界面磁阻(AIMR)，磁場平行膜面且垂直電流的電阻小於磁場垂直膜面的電阻的 現象。
為了進一步地研究此特殊的磁阻現象與界面的關係，本實驗製作了鐵磁性材 料 Co、Ni、Fe 和弱磁性材料 CuNi 合金與 Pt、Pd 搭配的多層膜，分別為 Co/Pt、
Ni/Pt、Fe/Pt、CuNi/Pt、Co/Pd、Ni/Pd、Fe/Pd 和 CuNi/Pd，共 8 個系列，每個系 列分別製作了 8 個樣品。為了探討異向性界面磁阻(AIMR)與界面的關係以及 Pt、
Pd 因磁邊際效應(magnetic proximity effect)而被磁性材料引發出的磁性，每一系 列樣品的總厚度均固定為 200 nm，磁性層和非磁性層各 100 nm，最上層與最下 層皆為非磁性層，磁性層夾在非磁性層中間，相互交錯，透過改變雙層(bilayers) 的數目來改變樣品中界面的數量，以(NM
a nm
/FMb nm
)xN
/NMa nm
表示，a 為非磁性 層 的 厚 度 (nm) ， b 為 磁 性 層 的 厚 度 (nm) ， N 為 bilayers 的 數 量 ， 例 如 ： (Pt20nm
/Co25nm
)x4
/Pt20nm
代表此樣品擁有 4 個 bilayers、8 個 Co/Pt 交界面、5 層 20 nm 的 Pt 和 4 層 25 nm 的 Co，本實驗的 N 由 4 到 80，依序為 4、8、12、16、20、5
40、60 和 80。這些樣品都是利用濺渡系統(sputter)成長於表面上長了 200 nm 氧 化層的(1 0 0)矽基板上。
Pt 和 Pd 為最接近滿足 Stone 準則(Stoner criterion)的材料，擁有很強的自旋 軌道交互作用(spin-orbit interaction)，是作為量測純自旋電流(pure spin current)的 良好材料；而 Cu 與 Pt 和 Pd 剛好相反，Cu 的自旋軌道交互作用很弱，所以另外 本實驗也製作的 Ni/Cu 的多層膜來當作對照組，在低溫 10 K 下 Ni/Cu 的多層膜 確實沒有看到異向性界面磁阻(AIMR)的現象，但是在室溫 300 K 下層數較高的 樣品中還是可以看到異向性界面磁阻(AIMR)的現象。
實驗上首先將多層膜樣品以 X 光繞射量測分析多層膜的結構，在 X 光繞射 的結果可以看到超晶格(superlattice)的繞射峰值和衛星峰(satellite peaks)出現，表 示實驗的樣品確實為週期性交替層狀結構。本實驗主要探討磁場在與電流垂直的 平面上旋轉所量測的磁阻現象，在這 8 個系列的樣品中，都能看到磁場平行膜面 且垂直電流的電阻(ρ
T
)小於磁場垂直膜面的電阻(ρP
)，也就是異向性界面磁阻 (AIMR)的現象。然後觀察其磁阻的變化大小與 bilayers 的數目和每層鐵磁層膜厚 的關係，發現到其磁阻的變化大小大致上都是隨著每層膜的膜厚越薄而增加，與 錢嘉陵教授的團隊在成長於釔鐵石榴石(YIG)的 Pt 薄膜上做磁阻量測的趨勢相同。此外在 Ni/Pt、Ni/Pd 和 CuNi/Pd 的多層膜中還看到了一個特殊的現象，就是磁場 與膜面垂直的電阻(ρ